基于波传播方法的埋地管道的振动特性分析

利用波传播方法从理论上分析了有限长埋地管道的振动特性．得到土壤．结构耦合的频散方程．计算了埋地管道振动时的固有频率,通过与相关文献结果的比较,验证了该文理论分析和计算方法的正确性．数值计算结果表明埋地管道的固有频率,并不是在任何轴向和周向模态下都会出现,而是存在截止模态,土壤的剪切模量和管道参数对埋地管道的固有频率影响显著．     

冲击载荷作用下含裂纹高压埋地输气管道的安全性评定

落石是导致埋地输气管道破坏的主要载荷形式之一.在管道压力一定的情况下,首先建立了落石、土壤和高压埋地输气管道相互作用的力学模型,对在内压和落石冲击联合载荷作用下的高压埋地输气管道的动态响应进行了有限元分析.然后对含初始裂纹的情况基于虚拟裂纹闭合技术(VCCT)获得了埋地输气管道的动态断裂参数.在落石质量一定的条件下,分别获得了无裂纹管道的峰值有效应力和含初始裂纹管道的动态断裂参数与落石冲击速度的关系曲线,并拟合出相应的函数关系.根据切线交点准则求出了落石的极限冲击速度.计算结果表明:初始裂纹的存在大大降低了埋地输气管道的极限承载能力.本工作提出的方法和结论对于高压埋地输气管道的安全运营和降低危险系数具有十分重要的意义.     

基于分段Knothe函数的采空区埋地管道动态力学特性研究

针对穿越采空区埋地管道的动态力学预测问题,本文在概率积分法基础上将煤矿开采距离定义为开采时间与开采速度的乘积,采用分段Knothe函数模型并使用叠加原理,建立了在管-土协同变形期间水平煤层及缓倾斜煤层下埋地管道的动态下沉模型;在此基础上,运用弹性地基梁模型求解管道的挠度并结合分段Knothe函数建立了管道动态力学预测模型。结果表明:通过对比理论计算数据与实测数据可知,基于分段Knothe函数的预测方法能够比较真实地反映埋地管道的动态下沉位移及不断开采对埋地管道下沉变化的客观规律,且通过管道挠度方程能准确预测管道的动态力学行为。     

输气管道在走滑断层作用下的屈曲有限元研究

长输埋地管道是运输石油类能源最为重要的一种方式。对于埋地管线来说,由地震断层引起的走滑断层位移是影响管道完整性及安全运行的主要威胁之一。本文利用ABAQUS有限元软件通过模拟跨断层埋地管道在走滑断层位移下的变形屈曲响应,考虑了钢材和土体的非线性因素,并探讨了断层错动量、径厚比、内压、不同钢级材料等参数的影响。结果表明:走滑断层作用下管道的危险区域位于距断层面4m~6m左右处,而非断面与管道交汇处,并且管道内压在一定程度上缓解了管道局部屈曲现象,为跨断层埋地输气管道的设计和维护运营提供一些参考。     

非确定性结构静动态特性稳健优化设计

本文研究了考虑参数随机性的结构静动态特性稳健性优化设计问题的数学模型和数值求解。在考虑结构设计变量和其研究了考虑参数随机性的结构静动态特性稳健性优化设计问题的数学模型和数值求 解. 在考虑结构设计变量和其他参数随机分布的前二阶矩的条件下，采用基于二阶摄动法的 随机有限元方法对结构响应的平均值和方差进行近似求解. 在摄动法有限元分析的框架下， 提出以一般函数形式表达的结构性能的平均值和标准差及其灵敏度的计算格式. 将结构 稳健性优化设计问题构造为双目标优化问题，优化目标包含结构性能函数的期望值和标准 差，约束函数的变异也给予考虑. 优化问题采用基于函数梯度的算法进行求解. 文中给出的数值算例显示了方法的有效性.     

大体积混凝土结构随机温度徐变应力计算方法研究

首次尝试将随机有限元法引入大体积混凝土结构随机温度徐变应力的计算．综合考虑各种随机因素，对于由材料物理参数随机性引起的随机温度场的影响，本文给出了相应于初应变隐式解法的随机有限元计算方法；对于周期平稳随机温度场对徐变应力场的影响，本文提出了复模量隐式解法，并首次视复频响应函数为材料参数的随机函数，给出了相应的复频响应－随机有限元列式；而对于一般非平稳绝热温升温度场的影响，本文提出了参数调幅逐段简化的方法．本文方法有效地克服了前人不能考虑材料参数随机性或需弹模不随时间变化的局限性     

考虑空间变异性的框架结构可靠度分析方法

空间变异性是结构参数的固有属性，对于工程结构的随机响应和可靠度分析具有重要影响。结合随机场离散的局部平均理论和随机响应分析的摄动随机有限元法，提出一种考虑参数空间变异性的平面框架结构可靠度分析方法，并定量分析了参数空间变异性对结构可靠度的影响规律。首先，考虑随机因素的空间变异性，采用二维线性随机场离散的局部平均理论将平面框架结构的连续随机场离散为一组随机变量，并通过理论推导建立了随机场局部平均间协方差矩阵的二重积分表达式；然后，采用摄动随机有限元法分析结构随机响应及其对基本随机变量的梯度向量，并利用可靠度分析的梯度优化法计算结构可靠指标，从而提出了一种考虑参数空间变异性的平面框架结构可靠度分析方法。分析表明，该方法具有较高的计算精度和计算效率；随机场离散的局部平均理论对相关结构类型不敏感；随着随机场相关偏度和变异性的增大，框架结构的可靠指标逐渐减小，说明结构参数的空间变异性对结构可靠度的影响不容忽视。     

全非平稳地震作用下地下空间结构随机反应及可靠度分析

为研究全非平稳地震作用下地下空间结构的随机地震反应特征及可靠度分析方法，本文基于非均匀调制演变随机过程，建立了一种同时考虑强度非平稳和频率非平稳的全非平稳随机地震动输入功率谱分析模型；利用频响函数和脉冲响应函数间的傅里叶变换关系，推导出了适用于地下空间结构随机反应分析的响应功率谱计算表达式，可结合有限元方法对全非平稳地震作用下地下空间结构进行随机反应分析．基于穿越过程为泊松过程假定，采用分部积分方法，进一步推导出了适用于首次超越破坏可靠度计算的互相关函数解析表达式．然后，本文以上海某两层三跨地铁车站为工程背景，建立土-地铁车站结构相互作用体系有限元模型，对全非平稳地震作用下地铁车站结构进行了随机反应分析和中柱可靠度分析．结果表明：在非均匀调制演变功率谱作用下，结构的响应功率谱也具有明显的演变特征；利用文中给出的互相关函数计算公式，可避开调制函数的数值微分，提高计算精度．     

频响函数综合法预测结构在水下的动特性

通过对一个结构模型在空气中和水下的动特性的研究，探讨了由结构在空气中的模态参数和水的附加质量预测结构在水下的模态参数的频响函数综合法，用以替代实体结构在水下的动特性试验。应用这种方法预测得到了结构在水下的模态参数并与结构的湿模态试验结果进行了对比。研究结果表明，对于所研究的梁形结构，不考虑水的阻尼，将水对结构的影响考虑成为附加质量，应用频响函数综合法预测结构在水下的模态参数是可行的     

线性随机桁架结构的平稳随机响应分析

研究了随机桁架结构的平稳随机响应问题。同时考虑结构的物理参数、几何尺寸的随机性，从结构平稳随机响应在频域上的表达式出发，利用求解随机变量函数矩的方法，导出了随机桁架结构在平稳随机激励下位移响应均方值的均值、均方差和变异系数的计算表达式。通过算例考察了随机荷载激励下结构物理参数、几何尺寸的随机性对结构随机响应的影响。     

虹吸管道内流场数值模拟研究及分析

以虹吸式坐便器产品中的虹吸管道为研究对象,应用FLUENT软件对虹吸管道冲水过程中的气液两相流进行了三维数值模拟,研究了不同虹吸管道结构对虹吸性能的影响。通过改变管道结构参数(阻水段倾斜角度和爬坡段长度),分别对管道内流场进行对比分析,并依据数值模拟结果提出了虹吸管道结构优化设计的建议。模拟结果表明,虹吸管道结构直接影响虹吸性能,在管道内流场中,管顶驼峰处会产生明显的负压,影响虹吸起始时间;管道出口处均产生正压,且该处气液两相变化变得剧烈;适当缩短爬坡段长度,有利于延长虹吸持续时间;适当增加阻水段倾斜角度,有利于维持虹吸稳定。     

X80管道单腐蚀缺陷失效研究

腐蚀是造成管道失效的重要原因之一。为了深入了解现有X80管道的单腐蚀缺陷,本文针对X80管道单腐蚀缺陷失效机理进行了研究。首先建立并验证了有限元模型,通过大量的有限元模拟计算,建立了单腐蚀X80管道失效分析数据库;其次根据计算结果对腐蚀管道的失效机理进行了研究,包括单腐蚀X80管道的破坏模式、破坏过程以及应力分析;同时对影响X80腐蚀管道失效表现的各项参数进行了分析,如深度、长度、宽度、缺陷位置及管道径厚比等;最后利用有限元计算结果,拟合了单腐蚀X80管道的失效压力预测公式,并通过对比爆破实验数据验证了回归公式的适用性。     

地震和波流作用下海底悬跨管线模型实验研究

利用水下地震-波流联合模拟实验系统研究了海底管线在波浪、水流和地震作用下的动态响应特征。实验中考虑了有无地震作用、悬跨长度、波浪高度、水深、水流速度以及是否满管状态等因素。通过DDP动态数据后处理软件对实验结果进行处理分析,得到海底悬跨管道的动态响应特性。实验结果表明:在浅海海域,悬跨管线的动态反应受波浪及水深变化的影响不明显,悬跨长度是影响管道动态响应的主要影响因素;悬跨管线在地震与波流共同作用下的反应与仅地震作用下的应变存在差别;在波浪力作用下,空管时管线的应变要小于满管时的情况。     

河流油气管道动应力特性及悬跨安全性分析

近年来穿越河流的油气管道的爆管、泄漏事故频繁发生,因此对穿越河流悬跨油气管道进行力学特性分析及安全防控措施研究尤为重要.利用振动破坏准则求得悬跨管道的最大安全悬空长度.利用ABAQUS建立管道和土体的模型,基于流体动力学理论、管土耦合理论以及有限元理论,对河底输油管道的水平悬空段进行动应力研究,得到单跨悬跨管道的长度不得大于悬跨段的0.65,且在施加载荷过程中管道将先发生振动破坏,再发生屈服破坏.依据管道的最大悬跨长度,探索用钢结构支撑法解决管道悬跨长度过长的安全问题.     

T型分支管道对油气爆炸强度的影响

为了研究T型分支结构对管道内油气混合物爆炸强度的影响规律,测试了不同初始体积分数条件下直管和具有T型分支管中爆炸波超压值,并利用有机玻璃透明管道对火焰传播规律进行了可视化研究。得到以下结论:(1)T型分支管道对油气爆炸有强化作用,在油气体积分数为1.2%至1.6%范围内表现最明显; (2)T型分支管道对油气爆炸的强化作用受管道横截面突扩和障碍物扰动以及波的反射、绕射三方面的影响; (3)火焰经过分支管道时,火焰阵面发生极大的扭曲,火焰表面积显著增大,燃烧速率增大,增强了热量和活性物质的输运速率,提高了爆炸波的强度; (4)在T型分支管道附近, 油气爆炸的压力突变增强, 是由压力波反射、绕射引起的温升效应和压力波引起湍流强度增强共同导致。     

带腐蚀Euler-Bernoulli海洋管道模型在海波激励下的振动分析

研究了考虑腐蚀和海生物附着作用的海洋管道在海波激励下的动力学响应．采用欧拉-伯努利梁模型建立细长海洋管道动力学模型，利用格林函数法得到了该受迫振动问题的稳态响应．首先，推导了未腐蚀且考虑海生物附着的海洋管道在海波激励作用下的动力学响应．其次在考虑腐蚀、海生物附着情况下，利用前面未腐蚀模型的解得到腐蚀管道的动力学响应解析解．最后进行了数值讨论，分析了不同腐蚀深度、不同生物质量对管道固有频率的影响．研究了三种输流截面面积相同的环（圆、矩形、三角）模型在同一海波激励作用下的稳态位移响应．分析了不同海波高度、不同海波数目、不同海洋深度及腐蚀深度对管道模型位移的影响；对比了未腐蚀和有腐蚀深度时，某点随时间变化的位移效果．研究结果对海波激励下的管道响应分析和保护具有重要意义．     

石化装置工业尺度管道爆轰传播实验研究

针对石化装置罐区大口径、长距离管道内火焰传播缺乏系统研究的问题,设计搭建了DN50～DN500工业尺度管道火焰传播实验装置,并开展了丙烷/空气、乙烯/空气等可燃气体在不同管径下的实验研究。实验结果表明:可燃气体积分数对火焰传播及爆轰有一定影响,当接近化学计量浓度时,爆轰加速距离更短,更易形成稳态爆轰,而当可燃气混合气为贫燃或富燃状况时,爆轰加速距离则会增长;火焰爆轰传播速度、爆轰压力与管道管径基本无关,受可燃气种类影响更大;对应体积分数为6.6%的乙烯/空气和体积分数为4.2%的丙烷/空气混合气体,爆轰压力分别是初始压力的15.17和14.47倍,DN150以下管径内的爆轰压力远高于ISO16852标准给出的参考值。罐区连通管道阻火器选型安装时,应结合安装位置选用合适的阻火器。     

海底管线抗震设计的极限地震应力计算法

针对现用海底管线地震应力计算时存在的计算应力过大、管线几何参数和埋设深度对计算结果几乎没有影响等问题,在考虑了海底管线实际埋设环境的基础上,通过理论分析,给出了考虑地震时管线周围约束土壤进入塑性滑移状态后的极限地震应力计算方法,来计算海底埋设管线在地震作用下所产生的最大地震应力。用该新方法分析了一实际管线工程的地震应力,并通过与现用方法计算结果的比较,证明该方法克服了现用设计方法仅考虑管土之间为弹性约束、管线几何尺寸对抗震设计影响很小等问题,有效反映了实际铺设环境对海底管线地震应力的作用。本文应用极限地震应力计算法,结合工程实例计算,进一步明确了管线几何参数和埋设深度对极限地震应力的影响规律,为准确计算海底管线的地震应力、制定海底管线抗震规范、进行已服役海底管线的地震风险评估和寿命预测奠定了基础。     

清管载荷作用下输气管道安全落差研究

山地天然气管道局部落差和坡度大,在清管过程中易在清管器冲击载荷作用下发生屈曲和应力超限。基于有限元方法研究了考虑管-土耦合作用的大落差管段清管过程非线性动力学特征,分析了清管器运行速度、管道坡度、清管器-管内壁间摩擦系数对管道受力和位移的影响,得到了不同坡度、摩擦系数条件下极限清管运行速度和最大高程差。结果表明:清管器运行速度、管道坡度的增加会引起管道应力、位移的增加,运行速度的影响效果更为显著;随着清管器-管内壁间摩擦系数的增加,清管冲击载荷先减小后增加;针对Φ813mm×11mm的X70输气管道,在管道坡度为30°~70°、落差不超过340m~691m范围内的清管作业是安全的。     

粉质黏土层预埋承插式混凝土管道对爆破振动的动力响应

为合理评价临近爆破施工振动作用对预埋在粉质黏土层承插式混凝土管道的影响，通过现场预埋多管节全尺寸管道的爆破试验，结合DH5956动态应变及TC-4850爆破振动等测试系统，研究了爆破振动作用下承插式混凝土管道动力响应特征，分析了管道管身及承插口动应变及振动速度空间分布规律；基于承插口允许转角规范及管身动态拉应变破坏准则，提出了承插式混凝土管道爆破振动速度安全判据。研究结果表明:爆破振动作用下管道管身及承插口之间存在不协调响应特征；爆破振动作用下管道承插口为管道最薄弱位置，爆破振动对承插式混凝土管道的影响应重点考虑承插口的失效；承插式混凝土管道爆破振动速度控制阈值为5 cm/s，结果可对类似地层中承插式埋地混凝土管道的保护起指导作用。